Najmenšia LED dióda na svete zmení fotoaparát smartfónu na mikroskop s vysokým rozlíšením

Fotonika je oblasť technológie zaoberajúca sa prenosom a vlastnosťami fotónov. Vývoj v oblasti fotoniky viedol k inováciám v mnohých oblastiach vrátane optickej dátovej komunikácie, zobrazovania, prírodných vied a zdravotníctva, osvetlenia a displejov.

Hoci fotonické čipy, čo sú mikročipy obsahujúce dve alebo viac fotonických súčiastok, ktoré tvoria funkčný obvod, prešli v oblasti osvetlenia dlhú cestu, integrácia malého, jasného svetelného žiariča na čipe zostala až doteraz nedosiahnuteľná. Výrobcovia sa zvyčajne uchyľujú k použitiu zdroja svetla mimo čipu, ktorý má nízku energetickú účinnosť a obmedzuje škálovateľnosť fotonických čipov.

Výskumníci zo Singapursko-MIT Aliancie pre výskum a technológie (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology - SMART) teraz vyvinuli najmenšiu kremíkovú svetelnú diódu (LED) na svete. Je široká menej ako jeden mikrometer a má intenzitu porovnateľnú s oveľa väčšími kremíkovými LED diódami. Vďaka nej môžu byť zdroje svetla mimo čipu minulosťou.

Predchádzajúce žiariče na čipe bolo ťažké integrovať do štandardných komplementárnych metal-oxid-polovodičových (CMOS) platforiem. Obrazový snímač CMOS je integrovaný obvod postavený na doske s plošnými spojmi, čo je polovodičová technológia používaná vo väčšine súčasných čipov. V mobilných telefónoch sa CMOS používa ako „oko“ fotoaparátu.

V tomto prípade výskumníci umiestnili svoju malú kremíkovú LED diódu do 55 nm uzla CMOS, spolu s ostatnými fotonickými a elektronickými komponentmi. A to všetko na jednom čipe.

Aby otestovali, ako by sa ich LED dióda dala použiť v reálnom svete, umiestnili ju do holografického mikroskopu bez šošoviek. Mikroskopy bez šošoviek sú menšie ako bežné mikroskopy a lacnejšie, pretože nevyžadujú zložité a presné systémy šošoviek. Na osvetlenie vzorky sa používa zdroj svetla, ktoré sa potom rozptýli na digitálny obrazový snímač CMOS a vytvorí digitálny hologram, ktorý počítač spracuje a vytvorí obraz.

Pri holografickej mikroskopii bez šošoviek sa môžu vyskytnúť problémy pri rekonštrukcii obrazu. Zvyčajne si presná rekonštrukcia vyžaduje podrobné znalosti apertúry a vlnovej dĺžky zdrojového svetla a vzdialenosti medzi vzorkou a senzorom. Na prekonanie tejto ťažkosti výskumníci použili algoritmus neurónovej siete na rekonštrukciu objektov zobrazených holografickým mikroskopom. Neurónové siete sú počítačové systémy, ktoré napodobňujú siete ľudského mozgu a spoliehajú sa na tréningové údaje, aby sa časom naučili a zlepšili svoju presnosť.

Vedci zistili, že ich holografický objektív poskytuje presnejšie snímky s vysokým rozlíšením ako bežný optický mikroskop. Vypočítali, že jeho rozlíšenie je približne 20 mikrometrov (mikrónov). Pre porovnanie, ľudská kožná bunka má priemer 20 až 40 mikrometrov, zatiaľ čo biela krvinka má približne 30 mikrometrov.

Výskumníci vidia pre svoju mikro-LED a neurónovú sieť integrovanú do CMOS novej generácie mnoho aplikácií, vrátane rekonštrukcie mikroskopických objektov, ako sú vzorky ľudských tkanív a semená rastlín. A tvrdia, že sa dá použiť v existujúcich fotoaparátoch smartfónov jednoduchou úpravou kremíkového čipu a softvéru telefónu, čím sa smartfón zmení na mikroskop s vysokým rozlíšením.

„Okrem obrovského potenciálu v holografii bez šošoviek má naša nová LED dióda širokú škálu ďalších možných aplikácií,“ povedal Rajeev Ram, korešpondujúci autor štúdie. „Keďže jej vlnová dĺžka sa nachádza v minimálnom absorpčnom okne biologických tkanív, spolu s vysokou intenzitou a vyžarovacou plochou v nanorozmeroch by naša LED mohla byť ideálna pre aplikácie biologického zobrazovania a biologického snímania, vrátane mikroskopie blízkeho poľa a implantovateľných zariadení CMOS“.

Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Nature Communications.